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(共28张PPT)
物理选择性必修 第三册
第 4 章 原子结构
第4节　玻尔原子模型
核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任
1.知道玻尔原子理论基本假设的主要内容。 2．了解能级、能级跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念。 3．会计算原子跃迁时吸收或辐射光子的能量。 掌握用玻尔原子理论简单解释氢原子模型。 了解玻尔模型的不足之处及其原因。
[对应学生用书P67]
知识点一 玻尔原子模型
必备知识/自主学习
1．卢瑟福原子核式结构模型遇到的困难
卢瑟福的原子核式结构模型不能解释原子的 和原子光谱的 。
(1)轨道定态：原子核外的电子只能在一些分立的特定轨道上绕核运动；电子的轨道和原子的能量都是 。
电子虽然做圆周运动，但不向外辐射能量，处于 状态，电子处于分立轨道的这些状态称为定态。
(2)频率条件：当电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，原子会 光子。反之，当 光子时，电子会从能量较低的定态轨道跃迁到能量较高的定态轨道，该光子的能量应满足频率条件：
(m>n)。
。
2．玻尔原子模型
hν＝Em－En
稳定性
不连续性
量子化的
稳定的
辐射
吸收
知识点二 氢原子的能级结构
1．能级：在玻尔的原子模型中，原子只能处于一系列 的能量状态。在每个状态中，原子的能量值都是 ，各个确定的能量值称为能级。
2．氢原子在不同能级上的能量值为：En＝ E1，(E1＝ －13.6 eV，n＝1，2，3，…)，相应的电子轨道半径为：rn＝ (r1＝0.53×10-10 m，n＝1，2，3，…)。
3．基态和激发态：在正常状态下，原子处于最低能级，电子受核的作用力最大而处于离核 的轨道，这时原子的状态称为基态。电子 能量后，原子从低能级跃迁 到高能级，这时原子的状态称为激发态。
4．氢原子能级结构示意图(由高能级向低能级跃迁)
不连续
确定的
n2r1
最近
吸收
1.成功之处
玻尔理论冲破了经典物理中能量连续变化的束缚，解释了原子结构和氢原子光谱的关系。引入了普朗克的 概念，认为电子轨道和能量都是 的。
知识点三 解释氢原子光谱
由玻尔理论可知，激发到高能级Em的电子跃迁到低能级En，辐射出的光子的能量为hν＝Em－En＝ ，即ν＝ ，此式在形式上与氢原子光谱规律的波长公式一致。当n＝2, m＝3, 4, 5, 6，…时，这个式子与巴耳末公式一致。电子从更高的能级跃迁到n＝2的能级，可得氢原子巴耳末系的光谱线 。
知识点四 玻尔理论的局限
量子化
量子化
1．玻尔理论全面否定了原子的核式结构模型。( )
2．玻尔认为原子是稳定的，电子绕核旋转但不向外辐射能量。( )
3．原子跃迁时吸收或辐射光子的能量必须是两能级之差。( )
2．局限性：认为电子是 ，运动有确定的 。
3．电子云
为了形象地描述电子的运动情况，人们将这些 用点的方式表现出来，若某一空间范围内电子出现的概率大，则这里的点就密集；若某一空间范围内电子出现的 小，则这里的点就稀疏。这种用点的疏密表示电子出现的概率分布的图形，称为 。
思考判断
×
√
经典粒子
轨道
概率
概率
电子云
√
批注 ：原子中的电子在库仑力的作用下，绕原子核做圆周运动，电子绕核运动的轨道是量子化的，电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，且不产生电磁辐射。
批注 ：氢原子跃迁图
批注 ：玻尔的原子模型无法说明多电子原子的光谱，甚至不能说明氢原子光谱的精细结构，玻尔理论虽然引用了量子化概念，却没有跳出经典力学的范围，实际上电子的运动并不遵循经典物理学的力学定律，而是具有微观粒子所特有的规律性。
氢原子所处能级 一个氢原子 一群氢原子
2 1 1
3 2 1＋2
4 3 1＋2＋3
… … …
n n－1
批注 ：氢原子光谱亮线的数量
关键能力/互动探究
[对应学生用书P69]
探究点一　对玻尔理论的理解　(物理观念之形成)
情境探究
按照经典理论，核外电子在库仑引力作用下绕原子核做圆周运动。我们知道，库仑引力和万有引力形式上有相似之处，电子绕原子核的运动与卫星绕地球的运动也一定有某些相似之处，那么若将卫星—地球模型缩小是否就可以变为电子—原子核模型呢？
答案：
不可以。在玻尔理论中，电子的轨道半径只可能是某些分立的数值，而卫星的轨道半径可按需要任意取值。
(1)轨道半径只能是一些不连续的、某些分立的数值。(2)轨道半径公式：rn＝n2r1，式中n称为量子数，对应不同的轨道，只能取正整数。氢原子的最小轨道半径r1＝0.53×10-10 m。
2．能量量子化
(1)与轨道量子化对应的能量不连续的现象。
(2)其能级公式：En＝ ，式中n称为量子数，对应不同的轨道，n取值不同，基态取n＝1，激发态n＝2，3，4，…；量子数n越大，表示能级越高。对氢原子，以无穷远处为势能零点时，基态能量E1＝－13.6 eV。
3．跃迁
原子从一种定态(设能量为Em)跃迁到另一种定态(设能量为En)时，它辐射(或吸收)一定频率的光子，光子的
能量由这两种定态的能量差决定：
所以，电子如果从一个轨道到另一个轨道，不是以螺旋线的形状改变其半径大小的，而是从一个轨道上“跳跃”到另一个轨道上，玻尔将这种现象称为跃迁。
探究归纳
对点例练
【例1】(2022·河南信阳第一高级中学高二期末)按照玻尔的理论，氢原子的能级是氢原子处于各个定态时的能量值，它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能。当一群氢原子从n＝4能级跃迁到n＝1能级时，下列说法正确的是(　　)
A．跃迁过程中氢原子的电势能减小，动能增大，电势能与动能之和保持不变
B．跃迁过程中氢原子的电势能增大，动能减小，电势能与动能之和保持不变
C．氢原子可辐射6种不同频率的光
D．氢原子可辐射3种不同频率的光
C
解析：
氢原子由高能级到低能级跃迁，则跃迁过程中氢原子的电势能减小，根据 可得 ，则r减小，动能增大，原子向外辐射能量，总能量减小，即电势能与动能之和减小，A、B错误；氢原子可辐射C4 ＝6种不同频率的光，C正确，D错误。
2
[练1] (多选)(2022·山东济南高二期末)用光子能量为E的单色光照射容器中大量处于基态的氢原子，发现该容器内的氢原子能够释放出六种不同频率的光子，它们的频率由低到高依次为ν1、ν2、ν3、ν4、ν5、ν6，由此可知，开始用来照射容器的单色光的光子能量E可以表示为( 　　)
A．hν2 B．hν6
C．hν3＋hν4 D．hν1＋hν2＋hν4
BCD
(1)电子绕核做圆周运动时，不向外辐射能量。
(2)原子辐射的能量与电子绕核运动无关，只由跃迁前后的两个能级差决定。
(3)处于基态的原子是稳定的，而处于激发态的原子是不稳定的。
(4)原子的能量与电子的轨道半径相对应，轨道半径大，原子的能量大；轨道半径小，原子的能量小。
解决玻尔原子模型问题的四个关键
方法技巧
解析：
因为氢原子发出6种不同频率的光子，根据 ＝6可得n＝4，氢原子吸收能量后跃迁到第4能级，则吸收的能量等于n＝1和n＝4能级间的能级差，释放出六种不同频率的光子，它们的频率由低到高依次为ν1、ν2、ν3、ν4、ν5、ν6，则E4－E1＝hν6，E3－E1＝hν5，E2－E1＝hν4，E4－E2＝hν3，E3－E2＝hν2，E4－E3＝hν1，单色光的光子能量E＝E4－E1＝hν6，又E4－E1＝hν3＋hν4，E4－E1＝hν1＋hν2＋hν4，故B、C、D正确，A错误。
探究点二　玻尔理论对氢原子光谱的解释　(科学思维之提升)
要点归纳
1．对能级图的理解
如图所示的是氢原子能级图。
(1)能级图中n称为量子数，E1代表氢原子的基态能量，即量子数n＝1时对应的能量，其值为－13.6 eV。En代表电子在第n个轨道上运动时的能量。
(2)作能级图时，能级横线间的距离和相应的能级差相对应，能级差越大，间隔越宽，所以量子数越大，能级越密，竖直线的箭头表示原子跃迁方向，长度表示辐射光子能量的大小，n＝1是原子的基态，n→∞是原子电离时对应的状态。
2．氢原子的能级跃迁
内容和规律
跃迁 实质 跃迁是指电子从某一轨道跳到另一轨道，对应着原子从一个能量态(定态)跃迁到另一个能量态(定态)
跃迁能量来源 (1)原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收；
(2)原子若是吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发，实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，原子就可能发生能级跃迁
发光频率 (1)处于激发态的原子是不稳定的，可能直接跃迁到基态，也可能先跃迁到其他低能级的激发态，然后再到基态；
(2)一群处于量子数为n的激发态的氢原子，可能辐射出的光谱线条数为 ；
(3)一个处于量子数为n的激发态的氢原子，所发光子的频率数目最多为(n－1)；
(4)根据hν＝Em－En(m>n)计算各种光子频率
3．氢原子吸收光子发生跃迁和电离的区别
(1)氢原子吸收光子从低能级向高能级跃迁时，光子的能量必须等于两能级的能级差，即hν＝Em－En(m>n)。
(2)电离：电子获得能量后脱离原子核的束缚成为自由电子的现象。
①电离能是氢原子从某一状态跃迁到n＝∞时所需吸收的能量，其数值等于氢原子处于各定态时的能级值的绝对值。如基态氢原子的电离能是13.6 eV，氢原子处于n＝2激发态时的电离能为3.4 eV。
②氢原子吸收光子发生电离时，光子的能量大于或等于氢原子的电离能就可以。
如基态氢原子的电离能为13.6 eV，只要能量大于或等于13.6 eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子的能量越大，氢原子电离后产生的自由电子的动能越大。
对点训练
【例2】(2022·福建漳州三中高二期末)如图所示的是氢原子的能级图，大量处于n＝4激发态的氢原子向低能级跃迁时，可以辐射出多种不同频率的光子，其中巴耳末系是指氢原子由高能级向n＝2能级跃迁时释放的光子。下列说法正确的是(　　)
A．向低能级跃迁时，电子的动能和势能都减小
B．最多可放出6种频率不同的光子，全部属于巴耳末系
C．放出的光子中波长最长的是n＝4激发态跃迁到n＝3激发态时产生的
D．用能量为2.56 eV的光子照射处于n＝2能级的氢原子，可以使它跃迁到n＝4能级
C
(1)如果是一个氢原子，该氢原子的核外电子在某时刻只能处在某一个可能的轨道上，由这一轨道向另一轨道跃迁时只能有一种光，但可能发出的光条数为(n－1)。
(2)如果是一群氢原子，该群氢原子的核外电子在某时刻有多种可能轨道，每一个跃迁时只能发出一种光，多种轨道同时存在，发光条数N＝ 。
(3)若知道每条光线的能量，可根据已知情况判定光线的波长或光线所在的区域
一个氢原子与一群氢原子在能级分析中的差别
方法技巧
解析：
氢原子向低能级跃迁时，库仑力做正功电势能减小，而电子在低轨道运动的线速度更大，则电子动能变大，故A错误；最多可放出C ＝6种频率不同的光子，跃迁的末态为n＝2才属于巴尔末系，故只有两种巴耳末系光，跃迁过程为4→2，3→2，故B错误；光子波长最长时，其频率最小，即光子能量最小，所以放出的光子中波长最长的是n＝4激发态跃迁到n＝3激发态时产生的，C正确；处于n＝2能级的氢原子，跃迁到n＝4能级需要吸收的光子能量为ΔE＝E4－E2＝2.55 eV，故D错误。
[练2](2022·福建厦门外国语高二期末)氢原子光谱在可见光区共有四条谱线，这四条都属于巴耳末系，分别是n＝3，4，5，6能级向n＝2能级跃迁时发出的光，波长可以用公式 表示。n表示氢原子跃迁前所处状态的能级，R称为里德伯常量，是一个已知量。氢原子能级图如图所示，现用光子能量为E0的光照射大量处于基态的氢原子，氢原子向外辐射的光谱中只有两条处在可见光区，下列说法正确的是(　　)
A．E0＝13.6 eV
B．氢原子最多向外辐射3种频率的光
C．辐射的两条可见光的波长之比为9∶7
D．氢原子从基态跃迁到高能级，电子的动能减小，原子的电势能增大
D
解析：
[练3] (2022·山东滨州高二期末)氢原子能级如图，现有大量处于n＝3能级的氢原子。光速c＝3.0×108 m/s，下列说法正确的是(　　)
A．这些原子跃迁过程中最多可辐射出2种频率的光子
B．从n＝3能级跃迁到n＝1能级比跃迁到n＝2能级辐射的电磁波的波长长
C．从n＝3能级跃迁到n＝1能级辐射光子的动量为6.448×10-27 kg·m/s
D．n＝3能级的氢原子电离至少需要吸收13.6 eV的能量
C
解析：
[练4] (科技情境)(多选)原子钟是利用“原子跃迁”的频率来计时的，这个频率很高并极其稳定，所以它的计时精度也非常高，如图甲所示的是我国自主研制的北斗导航系统中采用的星载氢原子钟，其计时精度将比星载铷原子钟高一个数量级，图乙为氢原子的能级图，下列说法正确的是(　　)
A．欲使处于基态的氢原子被激发，可用12.09 eV 的光子照射该氢原子
B．用能量为12.5 eV的电子轰击处于基态的氢原子，一定不能使氢原子发生能级跃迁
C.处于基态的氢原子可以吸收能量为12.1 eV 的光子而被激发
D．一群处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时最多产生6种谱线
AD
探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实)
解析：
[练5] (科学情境)植物种子里含有的“光敏色素”可以感知红光而使种子发芽，已知红光光子的能量范围为1.61～2.00 eV。氢原子的能级示意图如图所示，则能被“光敏色素”感知的是(　　)
A．氢原子从第5能级向第3能级跃迁发出的光
B．氢原子从第4能级向第3能级跃迁发出的光
C．氢原子从第4能级向第2能级跃迁发出的光
D．氢原子从第3能级向第2能级跃迁发出的光
D
解析：
氢原子从第5能级向第3能级跃迁时，辐射的光子能量为E＝E5－E3＝0.97 eV，不在红光光子的能量范围内，A错误；氢原子从第4能级向第3能级跃迁时，辐射的光子能量为E＝E4－E3＝0.66 eV，不在红光光子的能量范围内，B错误；氢原子从第4能级向第2能级跃迁时，辐射的光子能量为E＝E4－E2＝2.55 eV，不在红光光子的能量范围内，C错误；氢原子从第3能级向第2能级跃迁时，辐射的光子能量为E＝E3－E2＝1.89 eV，在红光光子的能量范围内，D正确。
[练6](科技情境)(2021·北京卷)北京高能光源是我国首个第四代同步辐射光源，计划于2025年建成。同步辐射光具有光谱范围宽(从远红外到X光波段，波长范围约为10-5～10-11 m，对应能量范围约为10-1～105 eV)、光源亮度高、偏振性好等诸多特点，在基础科学研究、应用科学和工艺学等领域已得到广泛应用。速度接近光速的电子在磁场中偏转时，会沿圆弧轨道切线发出电磁辐射，这个现象最初是在同步加速器上观察到的，称为“同步辐射”。以接近光速运动的单个电子能量约为109 eV，回旋一圈辐射的总能量约为104 eV。下列说法正确的是(　　)
A．同步辐射的机理与氢原子发光的机理一样
B．用同步辐射光照射氢原子，不能使氢原子电离
C．蛋白质分子的线度约为10-8 m，不能用同步辐射光得到其衍射图样
D．尽管向外辐射能量，但电子回旋一圈后能量不会明显减小
D
解析：
同步辐射是电子在磁场中做圆周运动自发辐射光能的过程，氢原子发光是先吸收能量到高能级，在回到基态时辐射光，两者的机理不同，A错误；用同步辐射光照射氢原子，总能量约为104 eV大于电离能13.6 eV，则氢原子可以电离，B错误；同步辐射光的波长范围约为10-5～10-11 m，与蛋白质分子的线度约为10-8 m差不多，故能发生明显的衍射，C错误；以接近光速运动的单个电子能量约为109 eV，回旋一圈辐射的总能量约为104 eV，则电子回旋一圈后能量不会明显减小，D正确。
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第2节　原子的核式结构模型
[学习目标]
1.知道α粒子散射实验的现象、方法和结果。
2.知道原子的核式结构模型。
3.知道原子和原子核大小的数量级。
基础探究
知识点一　α粒子散射实验
1.实验过程
1909年, 和他的合作者做了用α粒子轰击金箔的实验。在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋(Po),它发出的α粒子从铅盒的小孔射出,形成很细的一束射线,射到金箔上。α粒子穿过金箔后,打到环形荧光屏上,产生一个个闪烁的光点,这些光点可用显微镜观察到,如图。
知识梳理
形成概念，掌握新知
卢瑟福
沿原来
较大的偏转
90°
原路弹回
2.实验现象
绝大多数α粒子穿过金箔后仍 的方向前进,但是有少数α粒子发生了 ,有极少数α粒子的偏转角超过了 ,有的甚至被 ,α粒子被反射回来的概率有 。
知识点二　卢瑟福原子模型
1.核式结构模型
(1)原子的内部有一个很小的核,称为 ,原子的全部 电荷和几乎 都集中在原子核内;电子在原子核外面运动。
(2)原子核式结构模型又被称为 模型。
原子核
正
全部的质量
行星
2.原子的大小
(1)原子直径数量级: m。
(2)原子核直径数量级: m。
10-10
10-15
思考与自测
1.思考判断
(1)α粒子散射实验中大多数α粒子发生了大角度偏转或反弹。(　 　)
(2)卢瑟福否定了汤姆孙模型,建立了原子核式结构模型。(　 　)
(3)α粒子大角度的偏转是电子造成的。(　 　)
(4)卢瑟福认为原子核很小,集中了原子所有质量和正电荷。(　 　)
(5)卢瑟福提出的原子的核式结构模型已经完美了。(　 　)
×
√
×
×
×
2.思维探究
(1)α粒子发生大角度散射的原因是什么
答案:α粒子带正电,α粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射。
(2)原子中的原子核所带的电荷量有何特点
答案:原子核带正电,所带电荷量与核外电子所带的电荷量绝对值相等。
合作探究
要点一　对α粒子散射实验的理解
问题情境
突破要点，提升关键
如图所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验的装置示意图。荧光屏和显微镜一起分别放在图中A、B、C、D四个位置时观察实验现象。
(1)哪个位置相同时间内观察到屏上的闪光次数最多 为什么
答案:(1)A位置;在α粒子散射实验中,α粒子穿过金箔后,绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进,故A位置相同时间内观察到屏上的闪光次数最多。
(2)哪个位置屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少 为什么
答案:(2)D位置;少数α粒子发生较大偏转,极少数α粒子偏转角度超过90°,极个别α粒子被反弹回来,故D位置屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少。
归纳拓展
1.装置
放射源、金箔、荧光屏、显微镜等,如图所示。
2.现象及解释
(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进。大多数α粒子离金原子核较远。
(2)少数α粒子发生较大的偏转。发生较大偏转的α粒子是由于离金原子核较近,库仑斥力较大。
(3)极少数α粒子偏转角度超过90°,有的几乎达到180°。正对或基本正对着金原子核入射的α粒子在库仑斥力作用下先减速至较小速度然后加速远离金原子核。
3.实验的注意事项
(1)整个实验过程在真空中进行。
(2)金箔需要做得很薄,α粒子才能穿过。
(3)使用金箔的原因是金的延展性好,可以做得很薄。另外一点就是金的原子序数大,α粒子与金原子核间的库仑斥力大,偏转明显。
CD
[例1] (2022·河南郑州期末)(多选)如图所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图,图中的显微镜可在圆周轨道上转动,通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况。下列说法中正确的是(　 　)
A.在图中的B位置进行观察,屏上观察不到任何闪光
B.在图中的A、B两位置分别进行观察,相同时间内观察到屏上的闪光次数几乎一样多
C.卢瑟福选用不同金属箔片作为α粒子散射的靶,观察到的实验结果基本相似
D.卢瑟福通过该实验得到了原子的“核式结构模型”
解析:在B位置进行观察时,相同时间内观察到屏上的闪光次数较少,而在A位置进行观察,相同时间内观察到屏上的闪光次数最多,A、B错误;选用不同金属箔片作为α粒子散射的靶,观察到的实验结果基本相似,故C正确;卢瑟福根据此实验得出原子的核式结构模型,D正确。
名师点拨
解决α粒子散射实验问题的技巧
(1)熟记实验装置及原理。
(2)理解建立核式结构模型的要点。
①核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。
②汤姆孙的原子模型不能解释极少数α粒子的大角度散射。
③少数α粒子发生了大角度偏转,甚至反弹回来,表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量、电荷量均比它本身大得多的物体的作用。
④绝大多数α粒子在穿过金箔时运动方向没有明显变化,说明原子中绝大部分是空的,原子的质量、电荷量都集中在体积很小的核内。
[针对训练1] (多选)如图所示是英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔的实验装置下列关于该实验的描述正确的是(　 　)
A.α粒子轰击金箔的实验不需要在真空条件下完成
B.该实验否定了汤姆孙的“葡萄干面包”原子结构模型
C.实验结果表明绝大多数α粒子穿过金箔后发生大角度偏转
D.α粒子离开原子核的过程中,电势能减小,动能增加
BD
解析:为了避免其他原子的影响,α粒子轰击金箔的实验需要在真空条件下完成,故A错误;α粒子的散射实验说明原子中绝大部分是空的,揭示了原子具有核式结构,否定了汤姆孙的“葡萄干面包”原子结构模型,故B正确;α粒子的散射实验观测到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进,故C错误;α粒子离开原子核的过程中,静电力做正功,电势能减小,动能增加,故D正确。
要点二　原子的核式结构模型与原子核的组成
问题情境
汤姆孙发现电子后建立了“葡萄干面包”模型(即“枣糕”模型),卢瑟福根据α粒子散射实验推翻了“葡萄干面包”模型,建立了核式结构模型。
(1)卢瑟福的核式结构模型是最科学的吗
答案:(1)卢瑟福的核式结构模型是比汤姆孙的“葡萄干面包”模型更科学的模型,但不是最科学的模型,随着人们认识水平的不断提高,原子结构模型也在不断更新。
(2)如何理解原子内绝大部分是空的
答案:(2)原子核的直径数量级为10-15 m,原子的直径数量级为10-10 m,两者相差十万倍之多,故原子内部绝大部分是空的。
归纳拓展
1.原子的核式结构模型与原子的“葡萄干面包”模型的根本区别
核式结构模型 “葡萄干面包”模型
原子内部是非常空旷的,正电荷集中在一个很小的核里 原子是充满了正电荷的球体
电子绕核高速运转 电子均匀嵌在原子球体内
2.原子内的电荷关系:原子核的电荷数即核内质子数,与核外的电子数相等。
3.原子核的组成:原子核由质子和中子组成,原子核的电荷数等于原子核的质子数。
4.原子直径的数量级是10-10 m,原子核直径的数量级是10-15 m,两者相差十万倍之多。
[例2] (2022·陕西咸阳期末)(多选)关于卢瑟福的原子核式结构学说的内容,下列叙述正确的是(　 　)
A.原子是一个质量分布均匀的球体
B.原子的质量几乎全部集中在原子核内
C.原子的正电荷和负电荷全部集中在一个很小的核内
D.原子核直径的数量级是10-15 m
BD
解析:原子的质量几乎全部集中在原子核内,A错误,B正确;原子的正电荷全部集中在一个很小的核内,负电荷绕原子核做圆周运动,C错误;原子核直径的数量级是10-15 m,D正确。
名师点拨
类比法研究原子的结构
(1)卢瑟福把原子的结构跟太阳系比较,他认为带正电的原子核像太阳,带负电的电子像绕着太阳运转的行星。在这个“太阳系”中,支配它们的作用力是电磁相互作用力。因而这个模型又被称为“行星模型”。这是科学家利用类比方法的又一佐证。
(2)原子很小,原子核更小,如果将原子比作足球场,那么原子核仅相当于一只蚂蚁大小。
[针对训练2] 下列不属于卢瑟福原子核式结构理论的是(　 　)
A.原子的中心有个核,叫作原子核
B.原子的正电荷均匀分布在整个原子中
C.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
D.带负电的电子在核外绕着核旋转
B
解析:在原子的中心有一个很小的核,叫原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,电子在核外绕原子核旋转。故A、C、D正确,B错误。
实践应用
拓展延伸，凝练素养
模型·方法·结论·拓展
原子核式结构与力电综合问题
α粒子的散射实验推出的核式结构模型中,核外电子绕核高速运动,往往把它看成是库仑力提供向心力做匀速圆周运动,利用圆周运动的知识求周期及等效电流等。
[示例] 已知电子质量为9.1×10-31 kg,带电荷量为-1.6×10-19 C。当氢原子核外电子绕核运动时的轨道半径为0.53×10-10 m,则电子绕核运动的线速度为　　　　m/s,
动能为　　　　 J,周期为　　　　 s,形成的等效电流为　　　　 A。(结果保留3位有效数字)
答案:2.19×106　2.18×10-18　1.52×10-16　1.05×10-3
科学·技术·社会·环境
原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释
当α粒子穿过原子时,如果离核较远,受到原子核的斥力很小,α粒子就像穿过“一片空地”一样,无遮无挡,运动方向改变很小。因为原子核很小,所以绝大多数α粒子不发生偏转。
只有当α粒子十分接近原子核穿过时,才受到很大的库仑力作用,发生大角度偏转,而这种机会很少,所以有少数粒子发生了大角度偏转。
如果α粒子正对着原子核射来,偏转角几乎达到180°,这种机会极少,如图所示,所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°。
[示例] (2022·黑龙江牡丹江期末)从α粒子散射实验结果出发推出的结论有:①金原子内部大部分都是空的;②原子核的直径约为10-15 m;③汤姆孙的原子模型不符合原子结构的实际情况;④金原子是一个球体。其中正确的是(　 　)
A.①②③ B.①③④
C.①②④ D.①②③④
解析:从α粒子散射实验结果出发推出的结论有大量α粒子不发生偏转,说明金原子内部大部分都是空的,故①正确,④错误;原子核直径的数量级是10-15 m,故②正确;汤姆孙的“葡萄干面包”模型不符合原子结构的实际情况,故③正确。
A(共26张PPT)
物理选择性必修 第三册
第 4 章 原子结构
第1节　电子的发现与汤姆孙原子模型
第2节　原子的核式结构模型
核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任
1.知道发现电子的意义。 2．了解α粒子散射实验的原理和实验现象。 3．知道卢瑟福的原子核式结构模型，知道原子和原子核大小的数量级。 4．认识原子核式结构模型建立的科学推理与论证过程。 体会电子发现过程中蕴含的科学方法。 1.通过对原子模型演变历史的学习，感受科学家们细致、敏锐的科学态度和不畏权威、尊重事实、尊重科学的科学精神。
2．通过对原子结构认识的不断深入，领悟和感受科学研究方法的正确使用对科学发展的重要意义。
[对应学生用书P58]
知识点一 物质结构的早期探究
必备知识/自主学习
1．古人对物质的认识
(1)我国古代认为万物是“五行” 组成的。
(2)古希腊的亚里士多德认为，万物的本质是土、水、火、空气四种“元素”，天体则由第五种“元素”——“以太”构成。
(3)古希腊哲学家德谟克利特等人建立了早期的_______。
2．大约在17世纪中叶，人们开始通过实验来了解物质的结构
原子论
(1)1661年， 以化学实验为基础建立了科学的元素论。
(2)19世纪初， 提出了原子论，认为原子是元素的最小单元。
(3)1811年，意大利化学家 提出了分子假说，指出分子可由多个相同的原子组成。
知识点二 电子的发现和汤姆孙原子模型
1．电子的发现
(1)阴极射线：科学家在研究 放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出荧光 ，这种射线称为 。
(2)汤姆孙对阴极射线本质的探究
通过使阴极射线粒子受到的静电力和洛伦兹力平衡等方法，确定了阴极射线粒子的本质是带 电的粒子流。后来组成阴极射线的粒子被称为 。
玻意耳
阴极射线
电子
稀薄气体
道尔顿
阿伏伽德罗
2．汤姆孙原子模型 ?
汤姆孙认为，原子带 的部分充斥整个原子，很小很轻的 镶嵌在球体的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那样，这就是原子的 “葡萄干面包”模型。
正电
负
电子
知识点三 α粒子散射实验
1. 实验装置
2．实验方法
在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋(Po)，它发出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到 上。α粒子穿过 后，打到环形荧光屏上，产生一个个闪烁的光点，这些光点可用显微镜观察到。
金箔
金箔
3．实验结果
α粒子穿过金箔后，仍沿 方向前进，但有 α粒子发生了 偏转，有 α粒子偏转角超过了 ，有的甚至被 ，α粒子被反射回来的概率有 。
绝大多数
少数
原来的
较大的
极少数
90°
原路弹回
知识点四 卢瑟福原子模型
1.核式结构模型 ?
2．原子的大小?
(1)原子内部有一个很小的核，称为 ，原子的全部 及几乎全部的 都集中在原子核内， 在原子核外面运动。
(2)原子核式结构模型又被称为行星模型。
(1)原子直径数量级： 。
(2)原子核直径数量级： 。
原子核
正电荷
质量
电子
10-10m
10-15m
思考判断
1．玻意耳认为万物的本质是土、水、火、空气四种元素。( )
2．α粒子散射实验中，绝大多数α粒子不能穿过金箔。( )
3．原子的核式结构认为，α粒子散射试验中，原子核使α粒子发生了大角度偏转。( )
×
×
√
批注 ：“五行”是指“金、木、水、火、土”五种基本“元素”。
批注 ：荧光是物质吸收光照或其他电磁辐射后发出的光。
批注 ：电子发现的意义
人们由此认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有结构，原子可再分。
批注 ：汤姆孙原子模型示意图
批注 ：使用金箔的原因
金的延展性好，可以做得很薄；另外一点就是金的原子序数大，α粒子与金核间的库仑斥力大，偏转明显。
批注 ：原子与原子核的尺度
关键能力/互动探究
[对应学生用书P60]
探究点一　电子的发现与汤姆孙原子模型　　(物质观念之形成)
情境探究
如图所示的是汤姆孙的气体放电管，在金属板D1、D2之间加上如图所示的电场时，发现阴极射线向下偏转，说明它带什么性质的电荷？
答案：
阴极射线向下偏转，与电场线方向相反，说明阴极射线带负电。
探究归纳
1．阴极射线的本质是电子流。
2．带电粒子比荷的测定
(1)让带电粒子通过相互垂直的匀强电场和匀强磁场，如图甲所示，使其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)，得到粒子的运动速度v＝ 。
(2)撤去电场，如图乙所示，保留磁场，让粒子在匀强磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv＝m ，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r。
3．汤姆孙原子模型
(1)电子的发现说明原子是由电子和其他物质组成。
(2)汤姆孙认为，原子带正电的部分充斥整个原子，很小很轻的电子镶嵌在球体的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那样，这就是原子的“葡萄干面包”模型(有的也称枣糕模型)。
(3)由以上两式确定粒子的比荷表达式： 。
对点例练
【例1】(2022·湖北仙桃中学高二月考)电子所带的电荷量(元电荷e)最先是由密立根通过油滴实验测量出的，图示为该实验装置的示意图，将两块水平放置的金属板A、B连接到电路中，用一个喷雾器把许多油滴从上板中间的小孔喷入电场，油滴从喷口出来时由于摩擦而带电。在实验中通过调节金属板间的电压，利用显微镜观察，找到悬浮不动的油滴。
实验时观察到某个悬浮不动的油滴直径为D，此时金属板A、B间的电压为U，两板间距离为d，已知油滴密度为ρ，重力加速度为g，不计空气浮力，则该油滴带________电(选填“正”或“负”)，所带电荷量的大小q＝________。(用题目中所给的物理量表示)
负
解析：
A. 若在D1、D2两极板之间不加电场和磁场，则阴极射线应打到最右端的中心P1点
B．若在D1、D2两极板之间仅加上竖直向下的电场，则阴极射线应向下偏转
C．若在D1、D2两极板之间仅加上竖直向下的电场，则阴极射线应向上偏转
D．若在D1、D2两极板之间仅加上垂直于纸面向里的磁场，则阴极射线不偏转
阴极射线是电子流，当D1、D2两极板之间不加电场和磁场时，因电子所受的重力可以忽略不计，阴极射线不发生偏转，将打到最右端的中心P1点，A正确；阴极射线在电场中偏转时应偏向D1、D2带正电的极板一侧，C正确，B错误；加上与电子运动方向垂直的磁场时，电子在磁场中受洛伦兹力作用，要发生偏转，D错误。
解析：
【例2】(多选)如图所示的是汤姆孙的气体放电管的示意图，下列说法中正确的是(　　)
AC
(1)阴极射线的本质是高速电子流，在电磁场中运动时，所受电场力与洛伦兹力远大于所受重力，故研究电磁力对电子运动的影响时，一般不考虑重力的影响。
(2)应用左手定则时，要注意负电荷运动的方向与它形成的电流方向相反，即应用左手定则时负电荷运动的方向应与四指所指的方向相反
方法技巧
分析阴极射线的两点注意
[练1] 关于电子的发现，下列叙述中正确的是(　　)
A．汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，从而揭示了原子核是可以再分的
B．电子的发现，说明原子是由电子和原子核组成的
C．电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷
D．电子电荷的精确测定最早是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的
D
汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，从而揭示了原子是可以再分的，A错误；发现电子时，人们对原子的结构仍然不清楚，但人们意识到电子应该是原子的组成部分，B错误；电子的电荷量与质量的比值称为电子的比荷，C错误；电子电荷的精确测定最早是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的，D正确。
解析：
探究点二　α粒子散射实验与卢瑟福原子模型　(科学思维之提升)
要点归纳
1．α粒子散射实验现象的分析
(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。
(2)少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量比它本身大得多的物质的作用。汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射。
(3)绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的，原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内。
2．卢瑟福的原子核式结构模型
在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。
对点训练
【例3】(2021·浙江高二期中)如图所示的是卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验的装置示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下述说法中正确的是(　　)
A．放在C位置时屏上观察不到闪光
B．放在D位置时屏上能观察到一些闪光，但次数极少
C．相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最少
D．相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时多
B
放在C、D位置时，屏上仍能观察一些闪光，但次数极少，说明极少数α粒子有较大偏折，可知原子内部带正电的体积小且质量大，故A错误，B正确；放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多，说明大多数α粒子基本不偏折，可知金箔原子内部很空旷，故C错误；放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数较少，比放在A位置时少，说明较少α粒子发生偏折，可知原子内部带正电的体积小，故D错误。
解析：
[练2](2022·福建莆田二中模拟预测)根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示的是α粒子散射实验的图景，图中实线表示α粒子的运动轨迹，下列说法正确的是(　　)
A．轨迹3是正确的
B．轨迹2是正确的
C．少部分的α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进
D．α粒子在轨迹3的电势能先减小后增大
A
本题考查α粒子散射实验。在α粒子散射实验结果中，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，极少数发生超过90°的大角度偏转，越靠近原子核，轨迹偏转越大，而题图中轨迹2的偏转程度超过轨迹3，故轨迹2错误，轨迹3正确；在轨迹3，原子核对α粒子先做负功再做正功，所以α粒子电势能先增大后减小，A正确，B、C、D错误。
解析：
(1)原子中心很小的原子核集中了原子全部的正电荷和几乎全部的质量。
(2)电子在原子核外做绕核运动。
方法技巧
原子模型
[练3](2022·河北承德高二月考)卢瑟福的α粒子散射实验装置如图所示，开有小孔的铅盒里面包裹着少量的放射性元素钋。铅能够很好地吸收α粒子，使得α粒子只能从小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上，最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是(　　)
A．α粒子碰撞到了电子会反向弹回
B．极少数α粒子发生了大角度偏转
C．该实验为汤姆孙的“枣糕模型”奠定了基础
D．该实验说明原子具有核式结构，负电荷集中在原子中心
B
α粒子的质量远大于电子的质量，因此α粒子碰撞到了电子不会改变运动方向，A错误；极少数α粒子发生了大角度偏转，B正确；该实验为原子的核式结构模型奠定了基础，C错误；该实验说明原子具有核式结构，正电荷集中在原子中心，D错误。
解析：
探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实)
答案：
[练4](科技情境)测量电子比荷的一种精确测量方法是双电容法。如图所示，在真空管中由阴极K发射电子，其初速度可忽略，此电子被阳极A与阴极K之间的电场加速后穿过屏障D1上的小孔，然后依次穿过电容器C1、屏障D2和电容器C2，最后射到荧光屏F上。阳极A与阴极K之间的电压为U，在电容器C1、C2上加有完全相同的正弦式交流电压。C1、C2之间的距离为L。当交流电压的频率为f时，电子打在荧光屏上的亮点不发生偏转，由此可测得电子的比荷 为多少？
解析：
[练5] (科技情境)假设α粒子以速率v0与静止的电子或金原子核发生弹性正碰，电子质量 ，金原子核质量mAu＝49mα。求：
(1)α粒子与电子碰撞后的速度变化；
(2)α粒子与金原子核碰撞后的速度变化。
答案：
(1)－2.7×10-4v0 (2)－1.96v0
解析：
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物理选择性必修 第三册
第 4 章 原子结构
第3节　光谱与氢原子光谱
核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任
1.知道什么是光谱，能说出连续光谱和线状光谱的区别。 2．能记住氢原子光谱的实验规律。 分析氢原子光谱，知道巴耳末公式。 了解光谱分析在科技生活中的应用。
[对应学生用书P63]
知识点一 不同的光谱
必备知识/自主学习
1．光谱：复色光经过棱镜或光栅后，被色散开的单色光按 (或频率)大小依次排列的图案，称为光谱。
(1)连续光谱 ：包含有 且连续分布的光谱称为连续光谱。
(2)线状光谱：有些光谱不是连续的，而是由一条条的 组成，这种光谱称为线状光谱。
(3)发射光谱：物体自身 形成的光谱称为发射光谱，发射光谱又分为 和 。
(4)吸收光谱：高温物体发出的包含连续分布的各种波长的光通过其他物质时，某些波长的光被该种物质吸收后，在连续光谱中相应波长的位置上便出现了 ，这样的光谱称为吸收光谱。
2．光谱的类型
各种色光
亮线
连续光谱
线状光谱
暗线
波长
发光
3．光谱分析
原子的发射光谱都是线状光谱，这些亮线称为原子的 。每种原子都有独自的特征谱线，人们利用特征谱线来鉴别物质或确定物质的 ，这种方法称为光谱分析。
知识点二 氢原子光谱
1．氢原子光谱的特点
特征谱线
化学组成
(1)Hα～Hδ的这n个波长数值构成了 的“印记”，不论是何种化合物的光谱，只要它里面含有 的光谱线，就能断定这种化合物一定含有氢。
(2)从长波到短波，Hα～Hδ两相邻光谱线间的距离 ，表现出明显的规律性。
氢原子
这些波长
越来越小
2．巴耳末公式 ：
(n＝3，4，5…)其中R叫作 常量，其值为R＝1.096 775 81×107 m-1。
里德伯
思考判断
1．各种原子的明线光谱中的明线和它吸收光谱中的暗线必定一一对应。( )
2．巴耳末公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的。( )
3．由于原子都是由原子核和核外电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的。( )
×
×
√
批注 ：
批注 ：巴耳末公式的意义：以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立特征。
关键能力/互动探究
[对应学生用书P65]
探究点一　光谱和光谱分析　(科学思维之提升)
情境探究
早在17世纪，牛顿就发现了白光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫作光谱，如图所示，研究光谱有哪方面的意义？
答案：
光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱研究是探索原子结构的重要途径。
探究归纳
1．几种光谱的比较
　　 产生条件 光谱形式 应用
线状光谱 稀薄气体发光形成的光谱 一些不连续的亮线组成，不同元素的亮线光谱不同(又叫特征谱线) 可用于光谱分析
连续光谱 炽热的固体、液体和高压气体发光形成的 连续分布，一切波长的光都有 不能用于光谱分析
吸收光谱 炽热的物体发出的白光通过温度较低的气体后，再色散形成的 用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线(与特征谱线相对应) 可用于光谱分析
比较
光谱
2．太阳光谱
(1)太阳光谱的特点：在连续光谱的背景上出现一些不连续的暗线，是一种吸收光谱。
(2)对太阳光谱的解释：阳光中含有各种颜色的光，但当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光，然后再向四面八方发射出去，到达地球的这些谱线看起来就暗了，就形成了连续光谱背景下的暗线。
3．光谱分析
(1)优点：灵敏度高，分析物质的最低量达10-10 g。
(2)应用
①应用光谱分析发现新元素。
②鉴别物体的物质组成成分：研究太阳光谱时发现了太阳中存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素。
对点例练
【例1】关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是(　　)
A．太阳光谱是连续光谱，分析太阳光谱可以知道太阳内部的化学组成
B．霓虹灯和炼钢炉中炽热铁水产生的光谱，都是线状光谱
C．强白光通过酒精灯火焰上的钠盐，形成的是吸收光谱
D．进行光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以用吸收光谱
C
解析：
太阳光谱是吸收光谱，这是由于太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的，A错误；霓虹灯呈稀薄气体状态，因此光谱是线状谱，而炼钢炉中炽热铁水产生的光谱是连续光谱，B错误；强白光通过酒精灯火焰上的钠盐时，某些频率的光被吸收，形成吸收光谱，C正确；发射光谱可以分为连续光谱和线状光谱，而光谱分析中只能用线状光谱和吸收光谱，因为它们都具备特征谱线，D错误。
[练1] 利用光谱分析的方法能够鉴别物质和确定物质的组成成分，关于光谱分析，下列说法正确的是(　　)
A．利用高温物体的连续光谱就可鉴别其组成成分
B．利用物质的线状光谱就可鉴别其组成成分
C．高温物体发出的光通过某物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分
D．同一种物质的线状谱上的亮线与吸收光谱上的暗线，由于光谱的不同，它们没有关系
B
光谱分析可以使用发射光谱中的线状光谱，也可以使用吸收光谱，因它们都有原子自身的特征谱线，但不能使用连续光谱。
光谱分析的方法
方法技巧
解析：
高温物体的连续光谱包括了各种频率的光，与其组成成分无关，A错误；某种物质发射的线状光谱中的亮线与某种原子发出的某频率的光有关，通过这些亮线与原子的特征谱线对照，即可确定物质的组成成分，B正确；高温物体发出的光通过某物质后某些频率的光被吸收而形成暗线，这些暗线由所经过的物质决定，C错误；某种物质发出某种频率的光，当光通过这种物质时它也会吸收这种频率的光，因此同一物质线状光谱上的亮线与吸收光谱上的暗线相对应，D错误。
探究点二　氢原子光谱及其规律　(科学思维之提升)
要点归纳
1．氢原子光谱的特点：在氢原子光谱图中的可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性。
2．巴耳末公式及其应用
(1)巴耳末对氢原子光谱在可见光区的四条谱线进行研究得到了下面的公式，该公式称为巴耳末公式：
(2)巴耳末公式的应用方法及注意问题①巴耳末公式反映氢原子发光的规律特征，不能描述其他原子。②公式中n只能取整数，不能连续取值，因此波长也是分立的值。③公式是在对可见光区的四条谱线分析时总结出的，在紫外区的谱线也适用。④应用时熟记公式，当n取不同值时求出一一对应的波长λ。
对点训练
【例2】根据巴耳末公式，指出氢原子光谱巴耳末线系的最长波长和最短波长所对应的n，并计算其波长。
当n＝3时，波长最长为6.55×10-7 m，当n＝∞时，波长最短为3.64×10-7 m
答案：
解析：
[练2](多选)下列关于对巴耳末公式 的理解，正确的是(　　)
A．此公式是巴耳末在研究氢原子光谱特征时发现的
B．公式中n可取任意值，故氢原子光谱是连续光谱
C．公式不但适用于氢原子光谱的分析，也适用于其他原子的光谱
D．公式中n只能取不小于3的整数值，故氢原子光谱是线状光谱
AD
巴尔末在研究氢光谱特征时发现的巴耳末公式，公式 的n只能取整数，因此得到氢原子光谱是线状光谱，只能适用于氢原子，故A、D正确。
解析：
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第3节　光谱与氢原子光谱
[学习目标]
1.知道连续光谱和线状光谱。
2.了解氢原子光谱的特点,知道巴耳末公式及里德伯常量。
基础探究
知识点一　不同的光谱
1.光谱:复色光经过棱镜或光栅后,被色散开的单色光按 大小依次排列的图案,称为光谱。
知识梳理
形成概念，掌握新知
波长(或频率)
2.分类
(1)连续光谱:包含有各种色光且 分布的光谱称为连续光谱,如图。
连续
亮线
(2)线状光谱:由一条条的 组成的光谱,如图。
3.特征谱线
原子的发射光谱都是 光谱,这些亮线称为原子的 谱线。
4.光谱分析
(1)定义。
每种原子都有 的特征谱线,人们利用特征谱线来鉴别物质或确定物质的 组成,这种方法称为光谱分析。
线状
特征
独自
化学
(2)应用。
人们曾通过光谱分析发现了若干 ,像铯、铷、铊、铟、镓等;通过光谱分析检查半导体材料的 等。
知识点二　氢原子光谱
1.氢原子光谱的特点
(1)在可见光区域,Hα～Hδ的这几个波长数值构成了 的“印记”,不论是何种化合物的光谱,只要它里面含有这些波长的 ,就能断定这种化合物里一定含有氢。
(2)Hα～Hδ两相邻光谱线间的距离越来越小,表现出明显的规律性。
新元素
纯度
氢原子
光谱线
里德伯常量
思考与自测
1.思考判断
(1)各种原子的发射光谱都是连续光谱。(　 　)
(2)线状光谱和连续光谱都可以用来鉴别物质。(　 　)
(3)氢原子光谱是不连续的,是由若干频率的光组成的。(　 　)
(4)由于原子都是由原子核和核外电子组成的,所以各种原子的原子光谱是相同的。(　 　)
(5)由于不同元素的原子结构不同,所以不同元素的原子光谱也不相同。
(　 　)
×
√
×
×
√
2.思维探究
氢原子光谱有什么特征,不同区域的特征光谱满足的规律是否相同
答案:氢原子光谱是分立的线状谱,它在可见光区的谱线满足巴耳末公式,在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。
合作探究
要点一　光谱分类和光谱分析
问题情境
突破要点，提升关键
如图所示,让白光通过三棱镜,形成从红到紫依次按顺序排列的彩色光带,这种复色光分解为单色光的现象叫光的色散,形成的彩色光带称为光谱。
为什么用棱镜可以把各种颜色的光展开 光谱可以分为哪几种
答案:不同颜色的光在棱镜中的折射率不同,因此经过棱镜后的偏折程度也不同。可以分为发射光谱和吸收光谱。
归纳拓展
1.光谱的分类
2.太阳光谱
(1)太阳光谱的特点:在连续光谱的背景上出现一些不连续的暗线,是一种吸收光谱。
(2)对太阳光谱的解释:阳光中含有各种颜色的光,但当阳光透过太阳的高层大气射向地球时,太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光,然后再向四面八方发射出去,到达地球的这些谱线看起来就暗了,这就形成了连续光谱背景下的暗线。
3.光谱分析
(1)优点:灵敏度高,分析物质的最低含量达10-13 kg。
(2)应用:①应用光谱分析发现新元素。
②鉴别物体的物质成分;研究太阳光谱时发现了太阳中存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素。
③应用光谱分析鉴定食品优劣。
B
[例1] 关于光谱和光谱分析,下列说法正确的是(　 　)
A.太阳光谱和白炽灯光谱是线状谱
B.霓虹灯和煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱是线状谱
C.进行光谱分析时,可以利用线状谱,也可以利用连续谱
D.观察月亮光谱,可以确定月亮的化学组成
解析:太阳光谱是吸收光谱,白炽灯光谱是连续光谱,故A错误;霓虹灯和煤气灯火焰中钠蒸气产生的光谱属于稀薄气体发光,是线状谱,B正确;进行光谱分析时,可以用线状谱或吸收光谱,不能用连续谱,C错误;由于月亮反射太阳光,月光中不会含有自身物质在高温下发光的那些特征光谱,而是大量含有太阳光的特征光谱,其光谱无法确定月亮的化学组成,D错误。
名师点拨
(1)太阳光谱是吸收光谱,是阳光透过太阳的高层大气层时形成的,不是地球大气造成的。
(2)某种原子线状光谱中的亮线与其吸收光谱中的暗线是一一对应的,两者均可用作光谱分析。
[针对训练1] (多选) 对原子光谱,下列说法正确的是(　 　)
A.原子光谱是不连续的
B.原子光谱是连续的
C.由于原子都是由原子核和电子组成的,所以各种原子的原子光谱是相同的
D.各种原子的原子结构不同,所以各种原子的原子光谱也不相同
AD
解析:原子光谱为线状谱,A正确,B错误;各种原子都有自己的特征谱线,故C错误,D正确。
要点二　氢原子光谱的规律和应用
问题情境
(1)氢原子光谱是什么光谱 它是如何获取的
答案:氢原子光谱是线状谱,用氢气放电管和光谱仪可以获得氢原子光谱。
(2)能否根据巴耳末公式计算出对应的氢光谱的最长波长
答案:能。氢光谱的最长波长对应着n=3,代入巴耳末公式便可计算出最长波长。
归纳拓展
1.氢原子的光谱
从氢气放电管可以获得氢原子光谱,如图所示。
2.氢原子光谱的特点
在氢原子光谱图中的可见光区内,由右向左,相邻谱线间的距离越来越小,表现出明显的规律性。
(2)公式中只能取n≥3的整数,不能连续取值,波长是分立的值。
4.其他谱线
除了巴耳末系,氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线,也都满足与巴耳末公式类似的关系式。
A.巴耳末依据核式结构理论总结出巴耳末公式
B.巴耳末公式反映了氢原子发光的连续性
C.巴耳末依据氢原子光谱的分析总结出巴耳末公式
D.巴耳末公式准确反映了氢原子发光的分立性,其波长的分立值并不是人为规定的
CD
解析:巴耳末是利用当时已知的氢原子光谱在可见光区的四条谱线作了分析总结出的巴耳末公式,并不是依据核式结构理论总结出来的,巴耳末公式反映了氢原子发光的分立性,也就是氢原子实际只会发出若干特定频率的光,由此可知,选项C、D正确。
名师点拨
巴耳末公式的两点提醒
(1)巴耳末公式反映氢原子发光的规律特征,不能描述其他原子。
(2)公式是在对可见光的四条谱线分析时总结出来的,在紫外光区的谱线也适用。
实践应用
拓展延伸，凝练素养
模型·方法·结论·拓展
巴耳末公式的应用方法及注意问题
(1)巴耳末公式反映氢原子发光的规律特征,不能描述其他原子。
(2)公式中n只能取整数,不能连续取值,因此波长也是分立的值。
(3)公式是在对可见光区的四条谱线分析时总结出的,在紫外区的谱线也适用。
(4)应用时熟记公式,当n取不同值时求出一一对应的波长λ。
[示例] 根据巴耳末公式,指出氢原子光谱巴耳末系的最长波长和最短波长所对应的n,并计算其波长。
答案:当n=3时,波长最长,为6.55×10-7 m
当n=∞时,波长最短,为3.64×10-7 m
科学·技术·社会·环境
　棱镜摄谱仪的工作原理
光源I所发的光经透镜L3会聚在摄谱仪的光缝S上,一部分进入摄谱仪,经会聚透镜L1后,成为平行光线,落在三棱镜的一个面上,穿过三棱镜后,不同波长的光线以不同的偏转角射出。经过透镜L2再成为会聚光线。不同波长的光线会聚在相片P上的不同点,在P上形成一系列的S的实像。S是一条狭缝,所以这些实像是细线。摄成的光谱相片,可以进行测量。谱线的位置决定于波长,可以把一个已知波长的光谱和待测光谱并排地摄在相片上,测出两光谱的谱线位置,进行比较,从而测定各线的波长。
[示例] (多选)发光物质发出的白光通过棱镜后在屏上会形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫排列的连续谱,下列说法正确的是(　 　)
A.棱镜使光谱加了颜色
B.棱镜对各种颜色光的偏折程度不同
C.发光物质发出了在可见光区的各种频率的光
D.白光通过棱镜时,各种色光的频率发生了变化
解析:白光通过棱镜使各种颜色的光落在屏上的不同位置,说明棱镜对各种颜色的光偏折程度不同,形成的连续光谱按波长(或频率)排列,即白光包括各种频率的光,光的颜色是由波长(或频率)决定,并非棱镜增加了颜色,B、C正确,A错误;光在传播过程中频率是不变的,D错误。
BC(共22张PPT)
第4章　原子结构
第1节　电子的发现与汤姆孙原子模型
[学习目标]
1.了解物质结构早期探究的基本历程。
2.知道阴极射线的产生及其本质,理解汤姆孙对阴极射线研究的方法及电子发现的意义。
3.了解汤姆孙原子模型。
基础探究
知识点一　物质结构的早期探究
1.古人对物质的认识。
(1)我国古代的“五行说”认为,万物是由金、木、水、火、土五种基本“元素”组成的。
(2)古希腊的亚里士多德认为,万物的本质是土、水、火、空气四种“元素”,天体则由第五种“元素”——“以太”构成。
(3)古希腊哲学家德谟克利特等人建立了早期的 论,认为宇宙间存在一种或多种微小的实体,即“原子”。
知识梳理
形成概念，掌握新知
原子
2.通过实验了解物质的结构。
(1)1661年, 以化学实验为基础建立了科学的元素论。
(2)19世纪初,道尔顿提出了 论,认为 是元素的最小单元。
(3)1811年,意大利化学家 提出了分子假说,指出分子可以由多个相同的 组成。
3.19世纪初期形成的分子——原子论认为,在物质的结构中存在着分子、原子这样的层次;宏观物质的化学性质决定于 ,而分子则由 构成;原子是构成物质的 的最小颗粒,它既不能 ,也不能 。
玻意耳
原子
原子
阿伏伽德罗
原子
分子
原子
不可再分割
创生
消灭
知识点二　电子的发现及汤姆孙原子模型
1.阴极射线:科学家在研究稀薄气体放电时发现,当玻璃管内的气体足够稀薄时, 极会发出一种射线,这种射线能使玻璃管壁发出荧光,这种射线称为 。
阴
阴极射线
2.汤姆孙对阴极射线本质的探究
(1)阴极射线实验。
①汤姆孙通过使阴极射线粒子受到的静电力和洛伦兹力平衡等方法,确定了阴极射线粒子的本质是带 电的粒子流,并确定了其 ,测量出了这些粒子的 ,如图。
负
速度
比荷
②汤姆孙把各种不同的气体充入管内,用不同的 分别制成阴极,实验测出的比荷 ,说明这种带电粒子是组成各种物质的 成分。
(2)电子的发现。
①汤姆孙认为,阴极射线粒子是电荷量大小与 离子相同、而质量比氢离子 的粒子,他把这种带电粒子称为 。
②意义:电子的发现说明 具有一定的结构,也就是说原子是由 和其他物质组成的。电子的发现是19世纪末物理学的三大发现之一。
金属
大体相同
共同
氢
小得多
电子
原子
电子
3.汤姆孙原子模型
汤姆孙认为,原子带 电的部分应充斥整个原子,很小很轻的 子镶嵌在球体的某些 位置,正像葡萄干嵌在面包中那样,这就是原子的“葡萄干面包”模型,如图。
正
电
固定
思考与自测
1.思考判断
(1)电子是汤姆孙发现的。(　 　)
(2)电子的发现,说明原子具有一定的结构。(　 　)
(3)电子是第一种被人类发现的微观粒子。(　 　)
(4)电子的发现,是19世纪末的三大著名发现之一。(　 　)
(5)汤姆孙提出分子可以由多个原子组成。(　 　)
×
√
√
√
√
2.思维探究
(1)阴极射线是一种电磁辐射吗
答案:不是,是带负电的粒子流。
(2)为什么汤姆孙要通过电场和磁场研究阴极射线
答案:当时对阴极射线本质的认识存在两种:一是认为是带电粒子,二是认为是以太波,而汤姆孙认为阴极射线是带电粒子,而带电粒子可受静电力和磁场力。
合作探究
要点　电子的发现
问题情境
突破要点，提升关键
如图是汤姆孙的气体放电管的示意图。(不考虑电子的重力)
(1)若在D1、D2之间不加电场和磁场,阴极射线能打到最右端的P1点吗
答案:(1)能。
(2)若在D1、D2之间加上竖直向下的电场,阴极射线应向哪个方向偏转
答案:(2)向上。
(3)若在D1、D2之间加上垂直纸面向里的磁场,阴极射线还偏转吗
答案:(3)偏转。
归纳拓展
2.德国物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为阴极射线。
3.猜想。
(1)阴极射线是一种电磁辐射。
(2)阴极射线是带电微粒。
4.英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转。
5.密立根通过“油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量。
BD
[例题] (多选)如图所示,一只阴极射线管,左侧不断有电子射出,若在管的正下方放一通电直导线AB时,发现射线径迹向下偏转,则(　 　)
A.导线中的电流由A流向B
B.若要使电子束的径迹往上偏转,可以通过改变AB中的电流方向来实现
C.电子束的径迹与AB中的电流方向无关
D.若将直导线AB放在管的正上方,电流方向不变,则电子束的径迹将向上偏
解析:阴极射线是高速电子流,由左手定则判断可知,磁场垂直纸面向里,由安培定则可知,导线AB中的电流由B流向A,且改变AB中的电流方向时可以使电子束的径迹往上偏,故A、C错误,B正确;若将导线AB放在管的正上方,电流方向不变,由左手定则可以判断,电子束的径迹将向上偏,故D正确。
名师点拨
关于阴极射线的两点提醒
(1)阴极射线不是一种电磁辐射,而是带负电的粒子流。
(2)阴极射线(电子)从电源的负极射出,用左手定则判断其受力方向时四指的指向和射线的运动方向相反。
[针对训练] (多选)汤姆孙对阴极射线的探究,最终发现了电子,由此被称为“电子之父”。关于电子的说法正确的是(　 　)
A.电子是原子核的组成部分
B.电子电荷量的精确测定最早是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的
C.电子电荷量的数值约为1.602×10-19 C
D.电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷
BC
解析:电子是原子的组成部分,电子的发现说明原子是可以再分的。电子的电荷量与质量的比值称为电子的比荷,故A、D错误;电子电荷量的精确测定最早是由密立根通过“油滴实验”实现的,其数值约为1.602×10-19 C,B、C正确。
实践应用
拓展延伸，凝练素养
模型·方法·结论·拓展
测量带电粒子比荷常用的两种方法
[示例] 如图所示为汤姆孙用来测定电子比荷的装置。当极板P和P′间不加偏转电压时,电子束打在荧光屏的中心O点处,形成一个亮点;加上偏转电压U后,亮点偏离到O′点,O′点到O点的竖直距离为d,水平距离可忽略不计;此时在P与P′之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场,调节磁感应强度,当其大小为B时,亮点重新回到O点。已知极板水平方向长度为L1,极板间距为b,极板右端到荧光屏的距离为L2。
(1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小;
[示例] 如图所示为汤姆孙用来测定电子比荷的装置。当极板P和P′间不加偏转电压时,电子束打在荧光屏的中心O点处,形成一个亮点;加上偏转电压U后,亮点偏离到O′点,O′点到O点的竖直距离为d,水平距离可忽略不计;此时在P与P′之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场,调节磁感应强度,当其大小为B时,亮点重新回到O点。已知极板水平方向长度为L1,极板间距为b,极板右端到荧光屏的距离为L2。
(2)推导出电子比荷的表达式。
科学·技术·社会·环境
密立根“油滴实验”
1910年美国物理学家密立根通过著名的“油滴实验”,简练而又精确地测定了电子的电荷量。更重要的是密立根实验发现电荷量是量子化的,即任何电荷的电荷量只能是元电荷e的整数倍,并求得了元电荷即电子所带的电荷量e。
密立根实验的原理:
(1)如图所示,两块平行放置的水平金属板A、B与电源相连接,使A板带正电,B板带负电,从喷雾器喷嘴喷出的小油滴经上面金属板中间的小孔,落到两板之间的匀强电场中。
[示例] 密立根用喷雾的方法获得了带电液滴,然后把这些带有不同电荷量和质量的液滴置于电场中,通过静电力和重力平衡的方法最终测得了带电液滴的电荷量,某次测量中,他得到了如下数据:
液滴 编号 电荷量/C 液滴 编号 电荷量/C
1 6.41×10-19 2 9.70×10-19
3 1.6×10-19 4 4.82×10-19
… … … …
则可得出结论:　 。
答案:电荷量是量子化的,带电体的电荷量都是元电荷e的整数倍

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